熱-力耦合作用下B炸藥的撞擊安全性

屈可朋，沈 飛，肖 瑋，李亮亮，呂永柱，董樹南，陳 鵬

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

炸藥在運輸、貯存及使用過程中，常會受到多種意外刺激的復合作用，使得炸藥意外燃燒、爆燃甚至爆炸，其中溫度和機械撞擊的耦合作用是典型的工況之一[1]，由此引發炸藥熱損傷和機械損傷的疊加，使其反應過程具有較強的不可預見性，進而可能導致嚴重的事故。因此，迫切需要開展熱-力耦合作用下炸藥點火機理和安全性方面的研究。

國內外學者采用多種類模型試驗開展了熱-力耦合下炸藥性能研究。Sandusky等[2]研究結果表明，當溫度上升至240℃時，PBX-9502炸藥的撞擊點火閾值降低；Forbes等[3]研究了不同溫度下LX-04和LX-17炸藥的撞擊安全性，在170℃和250℃下兩種炸藥的點火閾值均有所降低；代曉淦等[4]研究表明，當加熱不超過120℃時，PBX-2炸藥撞擊點火反應速度閾值升高，超過120℃時其閾值則顯著降低；申迎春等[5-6]研究結果表明，溫度對于炸藥點火閾值的影響呈現出非線性變化特征；上述模型實驗所采用的藥柱尺寸不同，而藥柱點火具有較強的尺寸效應[7-8]。因此，在分析熱力耦合下炸藥撞擊安全性時，還需要考慮藥柱點火的尺寸效應。

本研究以B炸藥為研究對象，利用大型落錘加載裝置進行了不同溫度(-40、25、70℃)、不同尺寸(Φ20mm×20mm,Φ40mm×40mm,Φ60mm×60mm)下B炸藥的撞擊安全性實驗，獲取了不同狀態下B炸藥的點火閾值，探討了熱-力耦合及尺寸效應對炸藥點火特性的影響，以期為熱-力耦合作用下相關炸藥的安全性設計及使用提供參考。

1 實 驗

1.1 材料和儀器

B炸藥由西安近代化學研究所提供，藥柱尺寸分別為Φ20mm×20mm、Φ40mm×40mm和Φ60mm×60mm，密度均為1.68g/cm3，無肉眼可見缺陷。

采用西安近代化學研究所400kg落錘沖擊加載系統進行撞擊實驗；利用A-GDW-800安全型高低溫箱實現溫度控制；應力測試采用應變式壓阻傳感器[9]；瞬態波形存儲采用Tektronix公司DPO4104型示波器。

1.2 實驗原理

落錘實驗裝置如圖1所示。實驗時，400kg落錘被提升到一定高度(H)，以自由落體方式下降并撞擊實驗樣彈上活塞，通過上活塞傳力于樣品，壓力傳感器記錄落錘給予試驗樣品的應力加載波形，通過換算即可得到炸藥所受應力峰值(σm)及應力峰值對應時間(t)。

圖1 落錘實驗裝置及實驗樣彈結構圖Fig.1 Schematic diagram of drop-weight loading device and experimental bomb structure

實驗溫度分別選擇高溫70℃和低溫-40℃。將裝配好的樣彈整體置于高低溫箱內，待達到所需溫度后保溫4h，取出后利用保溫棉包裹，在保溫條件下迅速完成實驗，每組實驗進行3發，取其平均值。

1.3 材料模型及參數

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了落錘和實驗樣彈的仿真模型。因模型軸對稱，故物理模型選用1/4模型，如圖2所示。其中，落錘、套筒及活塞所用材料均為熱處理后的T10鋼，采用Johnson-Cook(J-C)模型描述；墊片材質為聚乙烯，采用彈塑性隨動硬化模型描述；B炸藥采用分段線性塑性模型MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY描述。各類材料的物理參數列于表1。

圖2 落錘撞擊實驗仿真模型Fig.2 Simulation model of drop-weight impact test

表1 材料的物理參數

利用上述模型及參量對不同尺寸藥柱在常溫下的響應情況進行模擬，并與傳感器實測曲線進行了對比，因各尺寸的結果類似，Φ60mm×60mm藥柱計算曲線與實測曲線對比如圖3所示。

圖3 計算曲線與實測曲線對比Fig.3 Comparison between experimental curve and simulation curve

從圖3可知，模擬結果與實驗結果吻合良好，所選模型及參量可較好地描述落錘加載下B炸藥的動態響應特性。

2 結果與討論

2.1 熱-力耦合作用下B炸藥落錘撞擊實驗結果

400kg落錘撞擊不同溫度、不同尺寸B炸藥藥柱的實驗結果列于表2。

表2 400kg落錘撞擊B炸藥實驗結果

注： *代表此高度下炸藥開始反應的應力。

由表2可知，常溫(25℃)、高溫(70℃)下B炸藥的臨界反應高度相同，低溫(-40℃)下略有提高；隨著藥柱尺寸的增大，B炸藥所能承受的最大應力逐漸降低，當藥柱尺寸由Φ20mm×20mm增至Φ40mm×40mm時，常溫下藥柱可承受的最大應力由1543MPa降至1125MPa，當藥柱尺寸增至Φ60mm×60mm時，在落錘極限高度(4000mm)下，藥柱雖未反應，但所受應力僅為750MPa，遠低于1125MPa。

2.2 溫度對B炸藥撞擊安全性的影響

與沖擊起爆(輸入壓力2GPa以上)相比，落錘撞擊的作用壓力低、脈沖時間長，屬于典型低強度沖擊范疇，低強度沖擊作用下炸藥首先承受機械刺激，機械能以塑性功的形式轉化成熱能，在炸藥局部進行熱積累，炸藥內部溫升一方面來自于塑性功引起的熱積累，同時又與環境進行熱交換。目前對于這類起爆機理還沒有十分清晰的認識，一般認為低強度沖擊下炸藥的點火反應與其力學性能(強度、模量等)、內部結構等因素相關。因此，本研究主要從溫度對B炸藥力學性能、局部形變及內部組織變化等方面分析引發其撞擊安全性變化的原因。

高溫(70℃)實驗時，藥柱強度和彈性模量均大幅降低[10]，使得撞擊產生的能量被藥柱通過整體形變而吸收，相應的單位體積內積累的有效塑性功降低，在炸藥內部難以形成局部高溫區；但另一方面，實驗溫度已接近TNT熔點，軟化后的TNT弱化了對RDX顆粒的包裹作用，可能導致RDX顆粒更易于破碎而形成“熱點”，但綜合來看，在實驗溫度下其撞擊安全性與常溫下相同。低溫(-40℃)實驗時，藥柱強度和彈性模量均升高，裝藥在局部區域塑性變形的“隨機性”降低，使其難以在局部形成高溫區和“熱點”，另一方面，即使炸藥顆粒因剪切、摩擦生熱，也會因初始溫度低、熱交換快而使得能夠用于形成“熱點”的熱量大幅降低，進而延遲“熱點”形成，使其撞擊安全性升高。

2.3 藥柱尺寸對B炸藥撞擊安全性的影響

表2中的結果表明，藥柱所能承受的最大應力隨藥柱尺寸增大而減小。從“熱點”理論分析，由于藥柱并非完全均勻介質，尺寸越大，其內部的非均勻性和非連續性越強，藥柱局部塑性變形的“隨機性”增大，更易形成多的“熱點”，導致其臨界點火閾值降低。

為直觀分析藥柱尺寸對B炸藥撞擊安全性的影響，采用數值模擬方法對不同尺寸藥柱在臨界反應高度下的應變分布狀態進行了分析，常溫下不同尺寸藥柱的等效塑性應變云圖如圖4所示。

圖4 不同尺寸藥柱在撞擊時的等效塑性應變云圖Fig.4 Equivalent plastic strain contour of samples with different size under impact

由圖4可知，Φ20mm×20mm藥柱僅在其端面邊緣位置存在明顯的應變集中區(圖4(a)紅色區域)，該區域最大應變值約為0.5，而其他位置的應變值則遠低于應變集中區。Φ40mm×40mm在其端面邊緣也出現了明顯的應變集中區(圖4(b)紅色區域)，該區域最大應變值約為0.2，但其他區域的應變值僅略小于該區域的應變值(約0.18～0.19)。上述模擬結果與陳春燕等[11]的研究結果一致，更多的局部大應變區使得“熱點”出現的幾率和數量均增大，導致其點火閾值降低。而Φ60mm×60mm藥柱在落錘極限高度下(4000mm)，藥柱塑性變形較為均勻，未出現明顯的應變集中區，最大應變值僅約為0.05，藥柱未發生反應，這可能與塑性變形導致的溫升尚未達到B炸藥熱點溫度有關。

為定量分析藥柱端面應變集中區對于炸藥點火的影響，對由塑性變形引發的炸藥溫升進行了簡易估算。藥柱在撞擊過程中單位體積的變形能和熱能[12]可分別由公式(1)和(2)計算：

dEs=σdε

(1)

式中：Es為變形能，J；σ為應力，MPa；ε為應變。

dQ=ρCpdT

(2)

式中：Q為熱量，J；ρ為藥柱密度，g/cm3；Cp為炸藥比熱容，J/(kg·K)，T為溫度，K。

然而，藥柱的變形能只有部分能量轉為熱能，假定轉換系數為b(b<1，通常取0.9)，故藥柱塑性變形引發的溫升可表示為：

(3)

為便于計算藥柱溫升，此處采用J-C模型描述其力-熱關系，將J-C模型的應力σ表達式代入式(3)，可得：

(4)

參照文獻[13]的參數，為便于計算，B炸藥熱軟化系數m近似取1，并對式(4)積分可得：

(5)

即炸藥表面塑性區溫度為：

(6)

對于B炸藥，式(6)中ρ取1.68g/cm3，Tr取298K，Tm取353K[14]，Cp、A、B、C、n等參量值取自文獻[13]，計算得到藥柱塑性區溫度隨應變的變化趨勢如圖5所示。

圖5 塑性區溫度隨應變的變化曲線Fig.5 Change curve of temperature in plastic zone vs. strain

由圖5可見，落錘撞擊作用下B炸藥塑性變形區的溫度隨應變量增大呈現非線性增大趨勢。當Φ60mm×60mm藥柱應變值為0.05時塑性變形區溫度達到349.5K，但尚未超過B炸藥的熱點溫度(690K)[15]，理論分析和計算結果解釋了Φ60mm×60mm藥柱在4000mm落錘高度下未反應的原因。

3 結 論

(1)B炸藥在撞擊作用下的點火閾值隨溫度變化呈現非線性變化特征，25℃和70℃條件下B炸藥的臨界反應落錘高度均為3800mm，而-40℃條件下該值增大為3900mm；當藥柱尺寸由Φ20mm×20mm增至Φ40mm×40mm時，常溫下藥柱可承受的最大應力由1543MPa降至1125MPa，其撞擊安全性具有明顯的尺寸效應。

(2)70℃條件下B炸藥藥柱撞擊安全性與25℃時相當，這可能是70℃下藥柱整體形變吸能與RDX顆粒易于破碎生熱兩者共同作用的結果；而-40℃條件下藥柱的撞擊安全性有所提升，則可能與其力學性能升高、難以在局部形成高溫區以及熱交換速率高有關。

(3)落錘加載條件下，不同尺寸B炸藥藥柱的最大應變區均出現在端面邊緣位置，但隨著尺寸增大，藥柱內部與端面邊緣處的應變值差異逐漸減小，更多的局部大變形區可能導致更多的“熱點”形成，進而使得藥柱的點火閾值降低；Φ60mm×60mm藥柱在落錘極限高度下未反應的原因是藥柱邊緣最大應變導致的溫升尚未達到B炸藥的熱點溫度。